基于切換的ＭＩＰｖ６ ｏｖｅｒ ＭＰＬＳ的ＱｏＳ機制研究

摘要:為了縮短移動節點切換引起的通信中斷時間，減少切換對服務質量(QoS)的影響，以MIPv6 over MPLS的框架結構為基礎，給出了一種基于切換的QoS方案，為移動節點切換提供有效的QoS保證#65377;

關鍵詞:切換; 服務質量; 多協議標簽交換; 層次型移動IPv6;上下文傳遞機制

中圖分類號:TP393.04文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2007)04-0292-03

0引言

移動節點(MN)從一個子網移動到另一個子網就產生了切換(Handoff/Handover)#65377;移動節點在新子網上獲得新的轉交地址，新的轉交地址不同于前一個網絡上的轉交地址，因此，移動節點需要向家鄉代理(HA)重新注冊，以及向通信對端重新綁定#65377;切換可能導致移動節點在一定時間內不能發送和接收數據分組，引起通信對端與移動節點之間的通信暫時中斷#65377;如何保持通信的連續性#65380;支持各種實時應用#65380;縮短切換引起的通信中斷時間#65380;減少切換對服務質量(QoS)的影響，是移動IP研究中重點關注的問題#65377;

目前，IETF已經提出了快速切換(RFC 4068)#65380;平滑切換#65380;層次型移動IPv6(HMIPv6，RFC 4140)等各種切換技術方案，但這些方案主要考慮的是如何降低分組的傳輸時延與丟失，并沒有考慮在用戶移動的過程中，如何向其提供滿意的服務質量(QoS)#65377;隨著各種無線實時多媒體通信的出現，傳統盡力而為(Besteffort)的QoS 已不能滿足人們對業務的需求#65377;因此，在移動IPv6 網絡中，應能使用現有QoS機制提供用戶滿意的服務質量#65377;

現在，移動IP 與MPLS 相結合是一個技術熱點，受到廣泛的關注#65377;兩者優勢互補，在提高網絡可擴展性的前提下，保證了網絡節點的移動性和通信的不間斷性#65377;基于MPLS 的移動IP 網絡在進行數據包轉發時，是依靠數據包頭中的標簽進行交換的;在MPLS骨干網轉發的數據包也不再通過IPinIP 隧道，而是通過LSP 進行數據包交換，因而極大地提高了數據包的轉發速度#65377;為此，本文以Y.1281^[1](Mobile IP Services over MPLS)的框架結構模型為基礎，給出了一種基于切換的QoS方案#65377;

1層次型移動IPv6(HMIPv6)

層次型移動IPv6^[2]就是在移動IPv6網絡中，通過采用層次型路由結構，減少移動節點與家鄉代理和通信對端的信令交互量，減少切換引起通信中斷的時間#65377;在HMIPv6中，引入一個新的實體，稱為移動錨點(Mobility Anchor Point，MAP)#65377;一個區域包含多個子網，子網的個數根據情況可以變化#65377;每個子網都接入路由器，每個區域有一個MAP#65377;移動節點通過MAP獲得的地址是區域轉交地址(Regional CareOf Address，RCOA)，可以使用RCOA向家鄉代理和通信對端進行綁定#65377;當移動節點在MAP區域內移動時，移動節點擁有(RCOA，LCOA)地址對#65377;其中RCOA是MN域內移動保持不變的地址，LCOA是MN在域內具體子網中的地址#65377;MN對外使用RCOA進行通信，當MN在域內子網間切換時，LCOA將發生改變，MN僅僅需要向MAP發送本地的綁定更新綁定新的(RCOA，LCOA)地址對，而不需要向家鄉代理和通信對端重新綁定#65377;這樣減少了在區域內子網間切換引起的通信中斷時間#65377;

2MIPv6 over MPLS的服務質量框架結構

2.1假設條件

本著簡單可行的原則，本文所提出的方案基于以下假設:

(1)骨干網為單MPLS^[3]域，且具有充足的資源提供服務質量保證#65377;

(2)接入網為HMIPv6網#65377;

(3)移動IP節點通過接入網與LER/HA相連#65377;

2.2QoS框架結構

這里以Y.1281的框架結構模型為基礎，并在其中引入層次型移動IPv6模型#65377;具體框架結構如圖1所示#65377;

圖1中MN為移動節點即終端用戶;CN為通信對端;MAP為移動錨點;PAR為MN在MAP域內切換時的前一個接入路由器(Previous Access Router);NAR為MN在MAP域內切換時的后一個接入路由器(New Access Router);LER1#65380;LER2為MPLS骨干網的邊緣路由器，負責對入流進行調節，必要時對入流進行重標記或進行域間映射;骨干網絡是MPLS網絡#65377;

QoS代理^[4](QoS Agent，QA)作為一個邏輯模塊與MAP域內各子網的接入路由器(PAR#65380;NAR)集成在一起#65377;由QA對本地子網的網絡資源進行統一管理和調度，在MN發生切換時，QA可以與MAP通過QoS協商預留資源#65377;

3基于切換的服務質量解決方案

3.1QoS對象構成

為了解決MIPv6 over MPLS的QoS問題，反映用戶對業務的QoS需求，根據文獻[5]，可以引入一個稱為QoS對象的IPv6擴展報頭選項#65377;這個選項的組成部分如圖2所示#65377;它通常包含零個或多個QoS對象#65377;該選項具有類型#65380;長度#65380;數值(TLV)格式，可以保證與IETF工作組成果的兼容性#65377;

QoS對象的組成部分如圖3所示，它是RSVP協議中FILTER_SPEC對象的擴展#65377;

“QoS要求”域描述的是移動用戶數據流的QoS要求;“最大時延”域和“時延抖動”域描述的是移動用戶數據流可以接受的時間延遲;“平均數據速率”域#65380;“令牌桶大小”域#65380;“最高數據速率”域#65380;“最小策略單元”域和“最大分組長度”域描述的是相應的數據流希望產生的流量及其特性;“分組分類參數”域提供了在分組頭中可用于數據分組分類的參數值#65377;

3.2Context Transfer及其必要性

IETF的RFC 3374^[6]中明確提出了Context Transfer的定義#65377;Context就是當前狀態的服務信息#65377;它需要在新的子網內重新建立，但不必要由移動節點重新開始參與整套協議交換#65377;Context Transfer即上下文傳遞機制，指將上下文從一個路由器或其他網絡實體傳遞到另一個上去，以作為在新子網上重建某種服務的手段#65377;這里所指的服務，可以是QoS信息#65380;AAA信息#65380;頭標壓縮信息等#65377;

對于在移動節點上有QoS要求的實時業務而言，發生切換時不僅保證移動節點的移動對網絡層以上透明，而且還將面臨重建QoS信息的時延問題#65377;如果每次切換到新的子網時，移動節點的QoS信息都必須由移動節點重新建立，這樣的時間開銷對于實時服務而言是不能忍受的#65377;因為在QoS建立前的這一段時間內，MN的實時服務將得不到期望的QoS需求，從而不得不忍受可能出現的延遲抖動和丟包#65377;因此，有必要在模型中加入Context Transfer的功能，以新舊網絡之間傳遞移動節點QoS信息代替移動節點重新建立QoS信息，從而提高移動節點切換時QoS信息的建立速度#65377;由于一個實時業務流在傳輸過程中有統一的QoS需求，即原先建立的QoS信息在切換后仍然適用，以QoS信息作為一種上下文是可行的#65377;

3.3用于QoS上下文傳遞時的CT信令

根據RFC 4067^[7]，Context Transfer協議可以作為基于UDP的上層協議運行于接入路由器(AR)上#65377;其主要消息有上下文傳遞觸發請求(Context Transfer Activate Request，CTAR)消息#65380;上下文傳遞請求(Context Transfer Request，CTR)消息#65380;上下文信息(Context Transfer Data，CTD)等#65377;從安全方面考慮，為了確認MN的真實性，還必須對MN進行認證#65377;當MN正式接入NAR域內時MN必須發送與PAR發送給NAR相匹配的認證信息#65377;經過認證后，MN才能夠使用從NAR到MAP已預留好的信息#65377;最后傳遞的QoS上下文是3.1節定義的QoS對象#65377;

3.3.1上下文傳遞觸發請求(CTAR)消息

CTAR消息(圖4)由MN發送給NAR，以請求一個上下文傳遞#65377;即使MN不知道是否上下文必須被傳遞，它也要發送CTAR消息#65377;如果此消息需要確認，則MN將A字段設為1#65377;

其中，CXTP(Context Transfer Protocol)協議的版本號是0x1;類型字段填0x1表示CTAR;當V字段設為0表示使用IPv6地址，當設為1時表示使用IPv4地址;當A字段被設置時，MN請求一個確認信息#65377;保留字段由發送方設為0，接收方忽略;序列號字段用來驗證請求消息和確認消息;授權令牌授權給CTAR消息的接收者進行上下文傳遞#65377;

3.3.2上下文傳遞請求(CTR)消息

CTR消息(圖5)作為CTAR消息的一個響應，由NAR發送給PAR，以請求開始進行上下文的傳遞#65377;

CXTP協議的版本號是0x1;類型字段填0x7表示CTR;當V字段設為0表示使用IPv6地址，當設為1時表示使用IPv4地址;保留字段由發送方設為0，接收方忽略;序列號字段從CTAR消息的相應字段拷貝過來，PAR根據它對請求消息加以區別;授權令牌也是從CTAR消息相應字段拷貝過來的#65377;

3.3.3上下文信息(CTD)

CTD是切換前路由器(PAR)向切換后路由器(NAR)提供MN的上下文信息#65377;對于攜帶QoS的CTD來說，它的結構如圖6所示#65377;

其中，CXTP協議的版本號是0x1;類型字段填0x3表示CTD;當V字段設為0表示使用IPv6地址，當設為1時表示使用IPv4地址;當A字段被設置時，PAR請求一個確認信息#65377;

3.4上下文傳遞過程分析

上下文傳遞分為網絡觸發和MN觸發#65377;網絡觸發由NAR或PAR產生鏈路層的觸發;MN觸發是由MN產生鏈路層的觸發#65377;本方案采用由MN觸發的上下文傳遞機制#65377;假設MAP域內有PAR和NAR為接入路由器的兩個子網，MN在MAP域內移動#65377;當MN在PAR子網內時，設它已與CN建立好了相應的資源預留#65377;隨后，當MN將要向新的子網切換時，MN感知到新的鏈路層連接，產生一個上下文傳遞觸發;繼而MN將發送CTAR給NAR#65377;其中CTAR包含MN在PAR子網內的轉交地址及MN的授權令牌(Authorization Token)等#65377;這個信息可以通過經PAR的隧道抵達NAR，NAR收到CTAR后，知道MN可能要進行從PAR子網到NAR子網的切換#65377;于是NAR將依據CTAR中提供的信息向PAR發出CTR#65377;其中包含請求信息的類型#65377;這里的類型是QoS#65377;PAR收到請求后將向NAR提供MN的上下文信息(CTD)完成鄰近路由器間上下文的傳遞#65377;切換時的上下文傳遞消息時序如圖7所示#65377;

3.5具體解決方案(當MN向CN發送數據時)

設MAP域內有PAR和NAR為接入路由器的兩個子網，MN在MAP域內移動#65377;當MN在PAR子網內時，設它已與CN建立好了相應的資源預留，并由MN發起到CN的一條實時業務流#65377;隨后，當MN將要向新的子網切換時，根據上節內容，將發生上下文傳遞過程#65377;切換時的上下文傳遞消息時序如圖7所示#65377;當NAR收到來自PAR關于移動節點的CTD后，從中可以獲得MN要求的QoS信息，于是NAR將作為MN的QoS代理向MAP發送請求，完成這一段局部的資源預留#65377;在NAR向MAP發送資源預留請求的同時，MN可能已經正式接入到NAR子網內部，于是MN將向MAP發出局部綁定更新(BU)以及接收綁定應答(BA)#65377;這樣，相當于MN的局部綁定與NAR的資源預留并行進行，而且NAR向MAP的QoS請求先于MN的BU#65377;如果NAR與MAP之間能夠提供足夠的資源預留，則MN在收到BA后就能夠進行有QoS保證的實時應用了#65377;

MN發送的實時數據流經過NAR轉發給MAP;MAP再轉發給MPLS骨干網的LER1;LER1對入流進行調節#65380;打上標記，并選擇合適的LSP轉發到骨干網出口處的LER2;最后LER2將數據流轉發給CN#65377;具體方案如圖8所示#65377;

當MN從CN接收數據時，情況與MN向CN發送數據時的操作類似#65377;限于篇幅，此處不再贅述#65377;

4總結

本文從切換的角度，探討了在Mobile IP over MPLS及層次型移動IPv6環境下利用Context Transfer如何更好地實現移動節點切換時的服務質量保證#65377;主要特點有:

(1)將多協議標簽交換技術(MPLS)融合到移動IPv6(MIPv6)后可提高網絡的分組轉發速度和服務質量#65377;

(2)由于采用分層結構后，MN在同一MAP域內移動時，QoS 路徑的建立和切換的執行都只在同一MAP 中進行，無須每次都建立到CN的QoS路徑，從而降低了切換和建立新的QoS 路徑的時延#65377;

(3)Context Transfer是IETF Seamoby工作組的新型議題#65377;這里的Context，除了QoS之外，AAA認證#65380;頭標壓縮等信息都可以作為被傳遞的內容#65377;其目的旨在重用MN在之前的接入路由器上已建立好的信息，使MN在切換時無須自己參與繁復的協議交換，重新配置這些信息，減小了重新配置的開銷#65377;

(4)本方案主要考慮的是MN在同一個MAP域內切換時的情況#65377;至于切換發生在不同的MAP區域間的情況，有待進一步的研究#65377;

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